采用小型化设计的可穿戴健康监测器

电子设计 2019-03-20 3911

描述

可穿戴传感器的关键驱动因素是健康监测，小型化是该技术的关键推动因素。能够将多个传感器和数据采集子系统集成在与微控制器相同的设备上，使设计人员能够将设备的设计小型化，以适应更多的外形尺寸。

例如，PulseOn的最新可穿戴健康监测器使用STMicroelectronics的定制微机械MEMS传感器及其STM32L微控制器。这提供了准确的连续心率测量，并且在微控制器上运行的算法将数据转换为每个人的有意义的个性化反馈。

MEMS加速度计将心率测量精度和可靠性保持在由一个心电图，并已在各种条件下进行测试，从缺乏身体活动到高水平的心血管活动。加速度计通过跟踪系统中的手部运动和振动来消除光学血流检测中的噪声，从而系统可以区分代表实际心脏脉冲的信号和仅仅是手部运动引起的噪声。加速度计还决定了佩戴者的身体活动水平。

图1：PulseOn的智能可穿戴健康监测仪使用MEMS加速度计和STMicroelectronics的高度集成控制器提高血压测量的准确性。

“芯片的精度和性能使我们能够将最严格的科学标准应用于PulseOn心率测量技术，产生可靠的结果包括休息期间的节拍准确性，“PulseOn工程主管Jari Nousiainen说。 “同样重要的是，通过创造市场上最小巧，最精确的腕戴式心率监测仪，设备的微小尺寸和能量预算成为竞争优势。”

另一种小型化的方法健康监视器将尽可能多的数据捕获集成在一个芯片上。 ADI公司的ADuCM350是一款高精度片上电路，设计用于便携式设备应用中的纽扣电池，如床边诊断和可穿戴设备。通过将模拟前端的电流，伏安和阻抗测量功能与灵活的开关矩阵相结合，可以在最小的占位面积中使用各种传感器，从而减小系统的整体尺寸。它使用16位，精密，160 kSPS模数转换器（ADC）; 0.17％精密电压基准; 12位，无丢码数模转换器（DAC）;和可重配置的超低漏电开关矩阵。还有一个温度传感器，精度为±1°C，温度范围为0°C至50°C。

该芯片还包括一个基于ARM Cortex-M3的低功耗处理器，384 kB嵌入式处理器闪存，32 kB系统SRAM和16 kB闪存配置EEPROM，以及支持带显示屏，USB通信和有源传感器的便携式仪表的I/O. AFE通过高性能总线（AHB）从接口连接到ARM Cortex-M3，以及直接存储器访问（DMA）和中断连接。

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图2：ADuCM350将运行状况监视器所需的所有元件集成到芯片级封装的单个芯片上。

为了保持系统尺寸不变，所有这些都包装在120 -lead，8 mm×8 mm芯片级球栅阵列（CSP_BGA），工作温度范围为-40°C至+ 85°C，可满足多种不同环境的需求。

当然，功率是系统小型化的重要考虑因素，因为较低的功率允许更小的电池。因此，ADuCM350具有一系列功耗模式，如动态和软件控制的时钟和电源门控。

飞思卡尔半导体的MK50DX256CLK10同样针对小型化传感器应用，具有多种集成外设。其中包括两个16位逐次逼近型SAR ADC，一个集成在每个ADC中的可编程增益放大器（PGA）（高达x64），以及两个运算放大器和两个跨阻抗放大器。对于数据输出，有两个12位DAC，三个模拟比较器（CMP）包含一个6位DAC和可编程参考输入和一个电压参考，所有这些都允许系统更高度集成。

通信接口包括带有片上收发器的USB全速/低速On-the-Go控制器，两个SPI模块和两个I 2 C模块，用于连接数字系统中的传感器，以及连接到其他串行传感器的四个UART模块。还有一个I 2 S模块链接到系统中的其他控制器和一个用于显示管理的低功耗硬件触摸传感器接口（TSI）。

所有这些都是由带有DSP指令的ARM Cortex-M4内核控制，每MHz提供1.25 Dhrystone MIPS，运行频率高达100 MHz，以最大限度地降低功耗。内存支持包括高达512 KB的程序闪存，56 KB的非易失性存储器FlexNVM和高达128 KB的RAM。 16通道DMA控制器支持多达63个请求源，允许从传感器捕获数据并存储，而无需唤醒微控制器内核，从而降低总体功耗并有助于减小设计尺寸。

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图3：飞思卡尔的MK50DX256CLK10通过集成简单电极的数据捕获功能，用于心率测量补丁。

MK50DX256CLK10可用于可穿戴式心脏监测贴片等应用，其中来自电极的信号由运算放大器提升，并由SAR ADC转换为数字信号，分辨率为12位。然后，M4内核可以处理信号或将其发送到链接到基本单元的无线收发器。所有这一切都可以集成到一个简单的粘合剂贴片中，该贴片带有柔性锂离子电池，可以舒适地放在患者的胸部，以监控活动，而无需复杂的胸带和许多不同的电线。这种小型化水平提高了医院的操作效率，使患者的生活更加舒适。

然而，不仅仅是32位控制器可用于小型化监测健康状况的传感器系统。德州仪器（TI）的MSP430 16位系列专注于低功耗和集成，为传感器系统提供平台。用于监测糖尿病和心率监测器的血糖仪等应用是MSP430系列的目标，利用片上数据转换器。 MSP430AFE2x3是一款超低功耗混合信号微控制器，集成了三个独立的24位Σ-ΔADC，一个16位定时器，一个16位硬件乘法器，USART通信接口，看门狗定时器和十一个I/O.引脚。

同样，超低功耗是最小化设计尺寸的关键考虑因素，并且该架构具有五种低功耗模式，因此可以针对便携式测量应用中的延长电池寿命进行优化。该器件具有16位RISC CPU，具有16位寄存器和恒定发生器，有助于实现最高的代码效率，因此可实现更小，更节能的设计。数字控制振荡器（DCO）允许在不到1μs的时间内从低功耗模式唤醒到活动模式。

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图4：德州仪器（TI）的MSP430AFE系列集成了Σ-Δ模数转换器和16位RISC控制器，可实现紧凑，低功耗的健康监测设计。

结论

现代微控制器的高级集成是为健康监视器的小型化做出了巨大贡献，接近了将绝大多数功能组合在一个芯片上的程度。系统开发人员总是需要单独的传感器来区分他们的设计，但是小型化数据采集和系统设计的模拟前端允许更多的健康监测功能被包含在更小的形状因子中。仔细管理功耗的能力还允许足够的电池寿命，但也意味着可以使用更小的电池来进一步减小系统的尺寸。

在灵活总线上安装数据采集外设还有助于减小系统尺寸，因为多个传感器可以链接到相同的数据转换器。只要功能正交并且传感器不会同时使用，灵活性就可以实现更小的引脚排列，因此占用空间更小。

然而，PulseOn的例子表明，越来越多的传感器被一起使用 - MEMS加速度计与光学血流传感器同时使用，以提高最终数据的质量。这为设计师带来了更多的挑战，他们的目标是将布局缩小到尽可能小的系统尺寸，但同时也为缩小健康监视器的大小和提高信息质量提供了机会。

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